基于专业认证的流体力学教学实践

2018-12-18薛向东陈勇民童芸芸

浙江科技学院学报 2018年6期

薛向东，陈勇民，童芸芸，汪华

(浙江科技学院土木与建筑工程学院，杭州 310023)

《华盛顿协议》是当前国际上最具影响力的工程教育学位互认协议，其宗旨是通过工程教育的多边认证，实现工程学位互认，促进工程技术人员在国家间的合理流动[1-2]。中国于2016年6月成为《华盛顿协议》的正式成员，自此全面参与《华盛顿协议》规章制度的制定，相应的工程教育认证结果亦得到协议国的认可[3-5]。中国工程教育专业认证是由国家专业性认证协会针对工程类专业教育实施的专门性认证，是确保工程教育质量被政府、行业、社会认可并接受的保障制度，也是实现工程教育在国家间相互承认的前提。专业认证以毕业生出口为导向，以生源质量达到行业标准为目标，要求课程体系、师资队伍、办学条件能确保学生达标培养，同时强调持续改进的措施保障[6-8]。由于中国工程教育专业认证工作开展较晚，致使迄今各高校土木工程专业认证的教学改革研究尚处于起步阶段，有关专业培养目标、毕业要求指标点、课程体系建设、评价机制等方面的认识尚不充分[9-10]。今笔者从土木工程专业认证角度出发，分析历年来流体力学教学工作存在的不足，并就教学大纲修订、课堂教学改革及持续改进机制等方面的教学实践进行探讨。

1 历年教学工作的不足

浙江科技学院土木工程专业开设流体力学课程已有十余年历史，经过持续不断的教学改革与课程建设，已形成较为完善的教学体系。2010年始，以专业评估(认证)为目标的专业建设开始推行并已取得部分成效，但由于总体办学历史短、自身积累不足，教学过程中遵循他校传统教学模式的“惯性思维”较为明显，突出表现为课程目标与专业培养目标之间的对应关系不明确，课堂教学的系统性不足，致使学生掌握知识点的碎片化现象突出，实验教学缺失，实践性案例纳入不足，教学评价方式的目标指向性模糊等。

1.1 基于出口导向的课程目标不明确

工程教育专业认证是新时期高校工科专业教学评价的主要依据，以学生为中心的成果导向型教学是认证的关键点，其核心要求是教学体系确保毕业要求，而毕业要求细化为若干指标点，每个指标点通过一个或多个课程予以支撑，即要求每门课程的目标明确指向具体的毕业要求指标点。历年教学大纲多针对课程本身对应的知识要求和能力培养设定，而以毕业要求为出口导向的课程目标却未体现，这容易导致教学活动的方向性偏离。

1.2 课堂教学系统化传授不足

流体力学涉及静力学、运动学、动力学、量纲分析和相似原理、流动阻力和水头损失、有压管流、明渠流、堰流及渗流等十余章节，内容繁多且部分知识点存在重复及分离现象。历年来课堂教学多遵循章节顺序，而对课程的系统化认识不足，授课过程中对章节内容的有机结合欠缺把握，由此易导致学生学习过程的碎片化，难以形成对流体力学整体知识的逻辑性把握，相应的工程应用能力培养也受到限制。

1.3 教学实验缺失

由于教学时数限制，历年教学大纲均未对教学实验做出安排。学生缺乏从现象到本质的感性认识，借助实验发现问题、分析问题继而解决问题的能力培养也因此有所缺失[11-12]，这无疑会对课程目标的最终实现产生不利影响。

1.4 案例教学相对不足

案例教学是一种现场实景的课堂模拟或重现，其优点在于学生易于将自身纳入教学过程，继而参与分析、讨论问题的课堂情境[13]。对土木工程专业学生而言，掌握流体力学知识的目的在于工程应用。现有教科书多强调原理与方法，对工程应用较少涉及，而教师对此问题的认识亦存在不足，以理论知识传授为主的教学思维使得学生易产生课本知识与行业工作无关的片面认识，进而降低学习兴趣与主动性，课程目标的实现也因此变得困难。

1.5 教学评价的课程目标指向性模糊

教学评价的意义在于判别课程目标的实现程度，分析教学过程的不足并针对性改进。历年教学评价的方式多采取学生网评与同行评议，学生网评针对授课形象、熟练程度、表述方式、交流沟通、作业批改等定性指标进行分值判别；同行评议也与之类似。评价结果虽以数值定量化显示，但评价过程依赖于测评者对定性指标的主观性判断。这种评价方式作为教学质量的总体性评价是充分的，但用于课程目标的达成分析则有不足。

2 教学大纲的修订

2.1 明确课程目标的出口指向

依据中国工程教育专业认证协会(China Engineering Education Accreditation Association)制定的原则性标准及浙江科技学院土木工程专业培养方案，结合历年教学反思，针对2013版课程教学大纲进行了修订，明确了课程目标与毕业要求指标点的对应关系及其相应权重值，见表1。

表1 课程目标与毕业要求指标点的对应关系Table 1 Corresponding relation between graduation requirement indicators and curriculum objectives

由表1可知，修订后的教学大纲界定了课程目标的指向性，即课程目标1对应毕业要求指标点2.1，本课程在毕业要求指标点支撑性课程集合中的权重分值为0.15，即体现了本课程对于毕业要求指标点达成度的定量支撑程度。

2.2 增设实验课程

基于实现课程目标的要求，教学大纲新增流体静压、有压流动、计量原理及流态分析等实验课程。为了增强对学生分析现象及求解问题能力的培养，实验课程强化学生课前的准备工作，实验过程以小组为单元，由学生交替完成原理、目的、操作过程的讲解；同时增设自主设计与探究环节，鼓励学生结合本专业实例，借助实验研讨基本原理与求解方法。

2.3 课程目标达成度及其计算标准

修订的土木工程专业培养方案明确了以课程目标达成度为依据的课程评价方法，教学大纲据此对本课程目标达成度(Aci)进行了设定，见表2。

表2 流体力学课程目标达成度Table 2 Curriculum objective achievement scale of Fluid Mechanics

达成度计算参数包括平时作业Mi1、实验成绩Mi2、期末成绩Mi3。按每个参数对课程目标1的贡献度，各参数设定值划分为M11、M12、M13，AV11、AV12、AV13分别为各参数对应的学生累积均值，pi为各参数在总成绩中的占比(i=1，2，3…)，n为平时作业次数，Ei为课程目标达成度期望值(本课程E1设定为1.00)。达成度明确了平时作业、教学实验及期末考核与课程目标的对应关系，并设定以达成度大于或等于0.60作为达成标准，整体课程及各环节的教学评价因此有了清晰的依据，教学活动的目标约束性也更为明确。

3 课堂教学改革

课堂教学是实现课程目标的根本所在，在对以往课堂教学反思的基础上，依据修订版教学大纲提出了针对性改进措施。

3.1 理论体系模块化

图1 教学模块划分Fig.1 Teaching module division

流体力学基本原理与方法的掌握是课程目标要求的基本内容。尽管教学内容繁多，但从课程建构角度看，静力学、运动学、动力学是理论体系的支柱，而其余内容则为三者的拓展与应用。据此，理论教学可划分为相互联系而又独立的教学模块(图1)。

教学模块的划分使得教学过程条理化、清晰化[14-15]，课堂教学易于实现“一课多师”的优化组合，继而发挥各自专长；同时教学内容易于实现有序化，使得教师能够集中有限时间和精力围绕核心内容进行重点讲解。对学生而言，模块化教学有助于增强其对课程内容内在关联性及整体性的逻辑认识。此外，模块化教学也有助于塑造学生个性化，独立而又相互关联的模块更有利于他们自由度的扩展，继而形成不同领域知识能力的有机组合。

3.2 章节内容串联化

流体力学现行教科书章节数目多，各部分相互关联，但存在分割现象。历年来的教学体会是，学生学习过程中的碎片化现象突出，难以达到章节内容贯通、知识点前后融合的系统性认识，以欧拉平衡方程为例：

(1)

(2)

(3)

式(1)表示理想流体平衡微分方程，式(2)表示理想流体运动微分方程，式(3)表示黏性流体运动微分方程。上述偏微分方程分别出现在教材不同章节，可以看出，尽管3个方程组形式不同，但其共同点在于均描述了力与运动的关系，即单位质量力、压力、表面力与欧拉加速度的关系。在教学过程中，若按章节顺序前后讲解，则相关内容间隔时间过长且关联性中断，这使得原本抽象的偏微分方程更难以被学生接受、理解。在教学中，可有机组合上述内容进行串联式讲解；同时，对3组方程采取力-加速度关系的统一模式加以阐述。

章节内容串联化的目的是将关联性密切的内容有机组合，打破机械式的章节排序方式，实现逻辑关系的前后呼应。类似的改进还包括实际流体伯努利方程与流动阻力章节的串联化、量纲分析与实验课程的串联化等内容。

3.3 案例式教学

课程目标要求培养学生具备应用流体力学专业知识对流体力学问题进行推理分析、建立合理的力学模型并有效求解的能力，而理论联系实际的教学方式是实现这一目标的途径。在课堂教学过程中，可结合生活案例讲解基本原理，结合工程案例讲解实际流动，这样不仅可使学生易于理解现象背后的原理，亦可将理论知识与工程实践紧密联系，继而提高分析与解决问题的专业能力。

3.3.1 基于生活案例讲解基本原理

(4)

图2 火车进站Fig.2 Arrival of a train into the station

为便于学生理解方程物理意义，以火车驶入站台为例进行讲解(图2)。

3.3.2 基于工程案例讲解实际流动

在讲解实际流动相关内容时均引入工程案例。如渗流章节中的课本内容仅着眼于多孔介质中水的流动，对土木工程实践而言，本章节学习目的在于了解并掌握地下水排除的技术方法，故可联系基坑排水案例进行讲解。首先阐述基坑排水的工程意义(图3)，介绍基坑设计高程、含水层水位线高程及施工时基坑底至水位线的安全距离，确定水位线降落度。之后引入管井排水技术(图4)，讲解排水量公式(式(5))中各参数对应工程图中的相应数据，进而求得排水量。在此基础上，根据基坑形状及尺寸，确定管井数量及平面布置。

图3 基坑排水工程Fig.3 Drainage project of foundation pit

图4 管井排水技术Fig.4 Drainage technology of pipe wells

(5)

类似工程案例在教学过程中的引入，极大程度上增强了学生“学有所用”的心理预期，进而激发学习兴趣，教学效果因此而提高。

4 持续改进机制

社会的发展变化与行业领域的技术进步决定了土木工程专业建设始终是一种动态变化、持续改进的过程，而流体力学教学工作必须与之适应，不断革新教学理念，改进教学方法，优化教学手段，并建立相应的课程持续改进机制：1)根据土木工程专业认证要求的变化，及时调整课程教学大纲，确保课程目标始终与专业毕业要求相一致。2)借鉴国内外高校相同专业认证—再认证的经验，从课程体系建设角度出发，完善工程流体力学教学内容，强化课程对专业培养的支撑性作用。3)依据学生评价、同行评价和课程目标达成度评价结果，分析课程教学各环节存在的问题并提出可操作的具体措施，确保下一学年教学工作的持续改进。